Companding - Companding
W telekomunikacji i przetwarzania sygnału , Companding (czasami nazywane compansion ) to metoda łagodzenia szkodliwego wpływu kanał z ograniczonym zakresie dynamicznym . Nazwa to kontaminacja słów ściskających i rozwijających się, które mają w sobie funkcje compander na koniec nadawania i odbioru odpowiednio. Zastosowanie kompandowania umożliwia przesyłanie sygnałów o dużym zakresie dynamicznym przez obiekty, które mają mniejszy zakres dynamiki. Kompresja jest wykorzystywana w telefonii i innych zastosowaniach audio, takich jak profesjonalne mikrofony bezprzewodowe i nagrywanie analogowe .
Jak to działa
Zakres dynamiczny sygnału jest kompresowany przed transmisją i rozszerzany do pierwotnej wartości w odbiorniku. Obwód elektroniczny, który to robi, nazywany jest kompanderem i działa poprzez kompresję lub rozszerzenie zakresu dynamiki analogowego sygnału elektronicznego, takiego jak dźwięk nagrany przez mikrofon. Jedną z odmian jest triplet wzmacniaczy: wzmacniacz logarytmiczny, po którym następuje wzmacniacz liniowy o zmiennym wzmocnieniu i wzmacniacz wykładniczy. Taka trójka ma tę właściwość, że jej napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do napięcia wejściowego podniesionego do regulowanej mocy.
Skompresowana kwantyzacja jest połączeniem trzech funkcjonalnych bloków budulcowych - mianowicie kompresora zakresu dynamiki sygnału (w domenie ciągłej) , jednorodnego kwantyzatora o ograniczonym zakresie oraz ekspandera zakresu dynamiki sygnału (w domenie ciągłej), który odwraca funkcję kompresora. Ten rodzaj kwantyzacji jest często używany w systemach telefonicznych.
W praktyce kompandery są zaprojektowane do działania zgodnie ze stosunkowo prostymi funkcjami sprężarki z zakresem dynamiki, które są zaprojektowane tak, aby nadawały się do realizacji przy użyciu prostych analogowych układów elektronicznych. Dwie najpopularniejsze funkcje kompandera używane w telekomunikacji to funkcje A-law i μ-law .
Aplikacje
Kompresja jest stosowana w systemach telefonii cyfrowej, kompresując przed wejściem do przetwornika analogowo-cyfrowego , a następnie rozszerzając po przetworniku cyfrowo-analogowym . Jest to równoważne użyciu nieliniowego ADC, jak w systemie telefonicznym z nośną T , który implementuje kompandowanie A-law lub μ-law . Ta metoda jest również używana w cyfrowych formatach plików w celu uzyskania lepszego stosunku sygnału do szumu (SNR) przy niższych głębokościach bitowych. Na przykład zakodowany liniowo 16-bitowy sygnał PCM można przekonwertować na 8-bitowy plik WAV lub AU przy zachowaniu przyzwoitego SNR poprzez kompresję przed przejściem do 8-bitowego i rozszerzenie po konwersji z powrotem do 16-bitowego. W rzeczywistości jest to forma stratnej kompresji danych audio .
Profesjonalne mikrofony bezprzewodowe robią to, ponieważ sam zakres dynamiczny sygnału audio mikrofonu jest większy niż zakres dynamiczny zapewniany przez transmisję radiową. Kompresja zmniejsza również poziom szumów i przesłuchów w odbiorniku.
Kompandery są używane w koncertowych systemach audio i niektórych schematach redukcji szumów .
Historia
Zastosowanie kompandowania w analogowym systemie transmisji obrazu zostało opatentowane przez AB Clark z AT&T w 1928 roku (złożone w 1925 roku):
W transmisji obrazów prądami elektrycznymi metoda polegająca na wysyłaniu prądów zmieniała się nieliniowo w stosunku do wartości światła kolejnych elementów przesyłanego obrazu, a na końcu odbiorczym eksponowała odpowiednie elementy wrażliwej powierzchni. do światła zmieniało się w odwrotnej nieliniowej zależności od odbieranego prądu.
- Patent AB Clark
W 1942 roku Clark i jego zespół ukończyli bezpieczny system transmisji głosu SIGSALY , który obejmował pierwsze zastosowanie compandingu w systemie PCM (cyfrowym).
W 1953 roku B. Smith wykazał, że nieliniowy przetwornik cyfrowo-analogowy może zostać uzupełniony o odwrotną nieliniowość w konfiguracji ADC z sukcesywnym przybliżeniem, co upraszcza projektowanie cyfrowych systemów kompresji.
W 1970 roku H. Kaneko opracował jednolity opis segmentowych (fragmentarycznie liniowych) składających się praw, które zostały wówczas przyjęte w telefonii cyfrowej.
W latach 80-tych (i 90-tych) wielu producentów sprzętu muzycznego ( Roland , Yamaha , Korg ) stosowało kompandowanie podczas kompresji danych falowych z biblioteki w swoich cyfrowych syntezatorach . Niestety dokładne algorytmy nie są znane, ani jeśli którykolwiek z producentów kiedykolwiek używał schematu Companding, który jest opisany w tym artykule. Jedyną znaną rzeczą jest to, że producenci stosowali kompresję danych we wspomnianym okresie i że niektórzy nazywają ją „kompandowaniem”, podczas gdy w rzeczywistości może to oznaczać coś innego, na przykład kompresję i ekspansję danych. To sięga późnych lat 80-tych, kiedy chipy pamięci były często jednym z najbardziej kosztownych elementów instrumentu. Producenci zwykle podawali ilość pamięci w jej skompresowanej postaci: tj. 24 MB fizycznej pamięci ROM z falami w Korg Trinity to w rzeczywistości 48 MB po zdekompresowaniu. Podobnie, karty rozszerzeń Roland SR-JV były zwykle reklamowane jako płyty 8 MB z „równoważną zawartością 16 MB”. Nieostrożne kopiowanie tych informacji technicznych z pominięciem odniesienia do „równoważności” może często powodować nieporozumienia.